Оптические и фотодатчики. Разновидности и принципы работы

Название и терминология применительно к оптическим датчикам

Как видно сразу из названия, в этих датчиках используется оптика, а значит – световое излучение различных диапазонов. То есть датчик, реагирующий на свет. И, разумеется, выдающий на факт обнаружения света какой-то сигнал. В английской терминологии оптические датчики часто называют PhotoCell Sensor, или Light Sensor, что означает фотодатчик, или световой датчик.

У нас тоже, кроме распространенного “оптического“, те же устройства называют фотодатчиками, или фотоэлектрическими датчиками.

Простейший и самый распространенный вариант такого датчика – датчик освещенности, который дискретно реагирует на уровень освещенности, и выдает сигнал на включение освещения с наступлением сумерек (основное применение)

Фотодатчиков придумано великое множество, и я попробую в своей статье популяризовать и классифицировать это многообразие.

Использование различных фотоэффектов

Во время своей работы » target=»_blank»>фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.

1. Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы.
2. Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности.
3. Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.

Работа оптических датчиков

Активация. Вот ключевое слово, которое должно использоваться при описании работы любых датчиков. В нашем случае активация (или деактивация, но об этом позже) происходит, когда свет, попадающий на вход датчика, обладает достаточной интенсивностью.

Логика работы такова, что когда свет попадает в датчик беспрепятственно, он будет активирован. А когда этот свет прерывается барьером (человек, заготовка, деталь станка) – датчик деактивируется.

Внимание! Не путайте! Активен – совсем не значит, что у него контакты замкнуты, и есть напряжение на выходе! Работа схемы обнаружения света и выходного ключевого элемента могут различаться! Возможно, что свет прерывается, и это как раз и служит сигналом активности. Всё зависит от конкретного применения.

Оптические датчики (так же, как и индуктивные датчики приближения) являются бесконтактными, то есть механического контакта с наблюдаемым объектом (активатором) не происходит. В отличии от (например) концевых выключателей и датчиков давления.

В большинстве случаев для повышения помехоустойчивости используют свет не обычного спектра, а излучение лазерного источника света (как правило, красного цвета). Такой источник прост в изготовлении, излучение легко фокусируется в тонкий луч. А благодаря тому, что излучение в видимой части диапазона, положение датчика просто настроить в пространстве.

А вот один из раритетных датчиков с обычной лампочкой накаливания, который я застал при его жизни. Излучатель – лампочка накаливания на 6 В с линзой. Приемный элемент – фотодиод. Далее – усилитель и триггер Шмитта на транзисторах.

Оптический датчик с лампочкой накаливания и линзой. Внизу видно световое пятно

Этот датчик стоит в производственной линии 1980 года, купленной за нефтедоллары в Швейцарии.

Современные датчики реагируют только на “свой” участок спектра, что позволяет им чётко работать в условиях помех и плохой видимости.

Помехой может быть солнечный свет или искусственное освещение, пыль, дым.

В случае плохого ухода помехой может быть обыкновенная пыль и грязь:

Загрязненный оптический датчик, сбоку – регулятор настройки чувствительности, излучающая часть смотрит вниз

На оптических датчиках в большинстве случаев существует переключатель “Dark On / Light On”. Что он означает? Он инвертирует логику работы. При “Dark On” датчик активируется тогда, когда на его вход свет не попадает, то есть на входе – темнота. При попадании света датчик деактивируется, то есть его выход приходит в нормальное состояние. В режиме “Light On” датчик активируется тогда, когда его вход засвечивается.

Есть модели, где присутствует таймер – выходной сигнал появляется через время после активации (срабатывания).

Поскольку в датчике присутствует пороговый элемент, нужно, чтобы он срабатывал чётко. При этом используется свойство гистерезиса, снижающее дребезг (частые изменения сигнала в “зыбкой” зоне). Чтобы облегчить настройку, сейчас производители в корпусе датчика устанавливают не только индикатор активации но и индикатор стабильного уровня сигнала. Если он горит, то это указывает, что обнаружение происходит стабильно, с достаточным уровнем сигнала, а не на краю диапазона чувствительности.

Нюансы монтажа датчика освещенности

Светоконтролирующий прибор обычно монтируется поблизости с подсоединяемым к нему светильником. Для каждой модели схема подключения выбирается в соответствии с инструкцией в техпаспорте. Ее перед началом работ следует изучить в обязательном порядке.

Особых навыков для выполнения монтаж не требуется. Надо лишь все рассчитать так, чтобы осветительные электроприборы не перегрузили линию. Фотореле нагрузки на сеть практически не дает. Однако УЗО в щитке и сам фотодатчик должны быть подобраны исходя из количества и мощности подключаемых лампочек.

Для самостоятельной установки фотореле достаточно обладать минимальными познаниями в области электромонтажа и соблюдать простейшие правила безопасности его выполнения

Существует несколько простых норм монтажа фоточувствительных реле:

1. Подключать сумеречный выключатель и всю линию осветительных устройств после него рекомендуется на отдельную линию от электрощитка со своим защитным автоматом.
2. Категорически запрещается устанавливать фотодатчик вверх ногами. С одной стороны он должен быть открыт солнечному свету, а с другой стороны на него должен падать свет от ламп искусственного освещения.
3. Нельзя этот электроприбор монтировать возле легковоспламеняющихся материалов, вблизи нагревательного оборудования и химически активных сред.
4. Если к фотореле подключается много лампочек , то в схеме необходимо предусмотреть магнитный пускатель.

Главное – свет от любых светильников не должен попадать на фотоэлемент. Иначе он постоянно будет работать не так, как положено. Фотодатчик реагирует на любой свет. Неважно, искусственное это освещение либо естественное от солнца.

Схема подключения осветительных приборов к фотореле (прямая либо через пускатель) выбирается в зависимости от суммарной мощности подключаемых светильников

На корпусе фотореле есть план с цветовым обозначением всех проводов, исходящих из него. Как правило, коричневый идет на фазу со щитка («L»), синий на ноль («N»), а красный или черный – на светильник уличного освещения. Необходимо лишь зачистить концы этих жил и подключить все в соответствии с приложенной электросхемой.

Если у фотодатчика два контакта, то один из них подсоединяется к фазе со щитка, а второй идет на светильник. Ноль в этом случае отсутствует.

Галерея изображений

Фото из

Шаг 1: Сверление монтажных отверстий

Шаг 2: Зачистка изоляции проводов для подключения

Шаг 3: Формирование соединений путем скручивания

Шаг 4: Проверка работоспособности прибора

В ситуации подключения уличного освещения через магнитный пускатель, он подсоединяется к фотореле так же, как лампочка. А сами осветительные приборы запитываются уже от него.

В этом случае реле замыкает не питающую лампы цепь, а только пускатель. Через выключатель в такой схеме проходит минимальный ток, поэтому подойдет более дешевый и маломощный прибор. Вся нагрузка здесь перекладывается на внешний контактор.

О том, как выбрать светильники для организации уличного освещения на солнечных батареях, подробно изложено в следующей статье, с которой мы советуем ознакомиться.

Различия по способу передачи света

Это – основные различия, по которым классифицируются дискретные оптические датчики. Различие – в способе “доставке” света на входной оптический элемент датчика.

Самый надежный –

С раздельным приемником и передатчиком

Такие датчики менеджеры по продажам называют барьерными, или с пересечением луча. Хотя, я это считаю некорректным – все дискретные датчики работают с пересечением луча каким-то барьером.

Оптический датчик типа передатчик-приемник с раздельными частями

Это самый надежный тип датчика в смысле дальности и помехоустойчивости. Во всех остальных датчиках передатчик и приемник излучения находятся в одном корпусе, а в этом могут быть разнесены на десятки метров.

То есть, передатчик установлен в одном месте, и к нему подведено питание. Он излучает, не выполняя больше никаких функций и не имея настроек. А приемник установлен на отдалении, и там может регулироваться чувствительность и другие параметры и функции.

Излучатель и приемник должны быть из одной пары (комплекта), хотя могут приобретаться отдельно. Передатчики и приемники разных фирм не подходят друг к другу (но это не точно).

Такие датчики на производстве применяются там где нужно контролировать большое расстояние. Также – в цепях безопасности, в охранных системах и там, где воздух может быть загрязнен (пыль, газ).

Есть вариант и в бытовом применении – видел барьерные фотодатчики в лифте:

Оптический датчик в лифте

Пока какая-то одежда или часть тела пересекает траекторию луча датчика – никто никуда не поедет.

С рефлектором (рефлекторный)

Эти датчики совмещают источник (передатчик) и приемник излучения в одном корпусе.

Рефлекторный оптический датчик со световозвращателем

Свет отражается от рефлектора, и попадает обратно. Поэтому некоторые производители называют такие датчики ретрорефлекторными (обратное отражение).

Оптический датчик с отражением от рефлектора

Кстати, на фото видны переключатель Dark / Light On, регулятор чувствительности, и индикаторы стабильности и срабатывания.

А вот хорошее фото, видна оптика передатчика и приемника:

Датчик рефлекторный со стороны оптики, закреплен на кронштейне

Такой датчик – это обязательно система. Для примера – конвейер, и система датчик – отражатель контролирует прохождение заготовки:

Датчик рефлекторный по одну сторону конвейера

Рефлектор может также называться отражателем, световозвращателем или катафотом:

Рефлектор для оптического датчика с другой стороны конвейера

Максимальное рабочее расстояние, на котором обеспечивается стабильная работа – у разных моделей от 5 до 10 м. Теоретически можно и больше, но практически очень трудно обеспечить стабильную работу – малейшее смещение луча из-за вибрации или ослабление света из-за пыли, и всё.

Датчик загрязнен пылью, предельная дальность в этом случае падает примерно на 30%

Датчики рефлекторного типа на производстве используются чаще всего.

Диффузный

Этот тип датчика – с отражением от объекта.

Диффузный оптический датчик с отражением от объекта

У него самая малая дальность действия (до полуметра), зато есть важное свойство – при должной настройке он детектирует появление объектов в зоне действия. Ведь на каждую коробку или бутылку катафот не поставишь!

Объект может быть на оси действия датчика, на расстоянии. По мере приближения датчик, как пороговый элемент, срабатывает.

В простейшем случае регулировка одна – чувствительность.

В крутых датчиках несколько кнопок или регуляторов, и его можно программировать и обучать:

Диффузный датчик с обучением и множеством настроек

IV. Фоторезистор.

Фоторезистор — это фотоэлектрический прибор на внутреннем фотоэффекте.

Под действием лучистой энергии (видимого света, ультрафиолетового или инфракрасного излучения, рентгеновских лучей) в веществе освобождаются от связей в атоме и становятся свободными электроны, которые увеличивают проводимость вещества. Данный вид фотоэффекта называется фоторезистивным эффектом.

Устройство фоторезистора:

Фоторезистор представляет собой пластмассовую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового вещества (сернистые или селенистые соединения свинца, висмута или калия) С обоих сторон полупроводникового слоя делаются выводы для подключения резистора в электрическую цепь, а сам слой для защиты от влаги и механических воздействий покрывается прозрачным лаком.

При отсутствии падающего света фоторезистор диэлектрик. При освещении фоторезистора за счет внутреннего фотоэффекта происходит увеличение концентрации электронов в объеме фоторезистора. Резистор становится проводником — сопротивление уменьшается пропорционально падающему световому потоку.

Фоторезисторы используются в медицинских приборах для измерения гемоглобина в крови, для определения степени насыщения крови кислородом.

Различия по конструкции

Тут просто. Если не рассматривать датчики специального исполнения (например, щелевые), то оптические датчики могут быть двух типов – в прямоугольном и в цилиндрическом корпусе.

Фото прямоугольных я привёл достаточно, а вот цилиндрические:

Оптические датчики в цилиндрическом корпусе с отражателем. Контроль прохождения по конвейеру

Точки отбора по методу зондирования

При выборе фотоэлектрического датчика для конкретного применения необходимо учитывать несколько моментов.

При выборе сквозной луч

и
светоотражающей
датчиков, примите во внимание следующие моменты:

Обнаружение объекта

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• Прозрачность (непрозрачная, полупрозрачная или прозрачная)

датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходима установка бок о бок Количество единиц
• Монтажный шаг
• Необходимость установки в шахматном порядке

Окружающая среда

• Температура окружающей среды, влажность
• Наличие брызг воды, химикатов и масла.

Если приложению требуется диффузно-отражающий, настраиваемый датчик или датчик с ограниченным расстоянием

, проверьте характеристики;

Обнаружение объекта

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• цвет
• Материал (сталь, дерево, бумага, нержавеющая сталь и т. Д.)
• Обработка поверхности (глокси, текстурированная и т. Д.)
• Скорость движения

датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходима установка бок о бок Количество единиц
• Монтажный шаг
• Необходимость установки в шахматном порядке

Окружающая среда

• Температура окружающей среды, влажность
• Наличие брызг воды, химикатов и масла.

Подключение и виды выходного сигнала

Здесь главная путаница. Иногда трудно понять, что такое Нормально Открытый (НО), а что такое Нормально Закрытый (НЗ) выход датчика. Те кто читал мои предыдущие статьи (ссылки в начале), тот прекрасно знает, что это. Но применительно к оптическим датчикам нелишне повториться.

Надо увязать три события:

1. попадание света нужной интенсивности,
2. включение индикатора активности
3. переключение выходного элемента (транзистор или реле)

Путаница возникает, когда под активностью (срабатыванием) понимают попадание света, либо попадание объекта. И что при этом происходит – зависит от переключателя Dark / Light и типа выхода – НО или НЗ.

В НЗ датчиках индикатор может гореть, когда контакт замкнут, а может – когда датчик активен (Это разные события!). Зависит от производителя.

По подключению датчиков статья у меня есть (ссылка в начале), вот ещё. Как правило, схема подключения приведена на корпусе:

Схема подключения на корпусе датчика. Переключатели, регуляторы, индикаторы и клеммы – под герметичной полупрозрачной крышкой

В общем, нужно внимательно читать инструкцию, и всё проверять на практике.

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

1. У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.
2. Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности.

Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование — это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.

Специфические датчики

Световая решетка

Это две линейки, расположенные точно напротив. На одной расположены светодиоды, на другой – фотодиоды. Таким образом, анализируя перекрытие пар свето/фотодиод, можно измерить с некоторой погрешностью геометрические данные объекта. Например, высоту или ширину объекта.

Световой барьер – линейка для измерения геометрии объектов

Световая решетка подключается к специализированному контроллеру, которые дает данные на главный контроллер.

Световой барьер

Он используется в основном для безопасности, для недопущения людей, или неправильной формы предметов в контролируемую зону.

По безопасности читайте мою статью на блоге. А также в журнале Электротехнический рынок.

Пара фоток, чтоб было понятно, о чем речь:

Барьер безопасности – по конвейеру проходит только то, что нужно, и только тогда, когда нужно!

Барьер в системе с датчиками

Это довольно сложная система, в которую кроме того ещё входят минимум 2 рефлекторных датчика (на фото – 4) и свой контроллер.

Лазерные

Это оптические датчики, в которых есть возможность измерения расстояния до объекта.

Лазерный оптический датчик

Лазерный оптический датчик с отображением расстояния

Лазерный оптический датчик с измерением расстояния

Принцип действия – измерение времени прохождения луча. Как в радиолокации.

Щелевые датчики

Отдельный вид датчиков с приемником и передатчиком – щелевые датчики (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе, в конструкции которого есть щель.

Щелевые оптические датчики. Два датчики, одно кольцо с прорезями.

Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает. Щелевые датчики удобны там, где объект, перемещение которого детектируется, имеет небольшую фиксированную толщину. Такая конструкция очень похожа на принцип действия инкрементного энкодера.

Оптоволоконные, или волоконно-оптические

Мне встречались такие датчики в диффузном исполнении, и с приемником+передатчиком.

Смысл в том, что оптические элементы и электронная схема разнесены в пространстве, а свет передается посредством оптоволокна (пластиковый фибер).

Чувствительный элемент оптоволоконного датчика

Видите красную точку? Это выход волоконно-оптического датчика.

В отдалении на расстоянии 4 метра стоят такие блоки оптоволоконных усилителей (для трех датчиков):

Оптоволоконные усилители для датчиков

Такую систему ставят там, где очень стесненное пространство (как настраивать?) и там, где электроника работать не любит – вибрация, влажность, высок риск повреждения.

Ещё несколько фото датчиков с оптоволоконным кабелем:

Два приемопередатчика с оптоволоконными проводами к электронному блоку. Видите потертости? Это следы от индуктивных датчиков, которые постоянно ломались из-за несовершенства механики…

Электронный блок (оптоволоконный усилитель)

Оптическая часть волоконно-оптического датчика. Даже сфотографировать проблематично, не то что настроить!

Электронные блоки – оптоволоконные усилители к оптоволоконным датчикам на фото выше.

Эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Е.Н.

Комментирует специалист, эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Евгений Николаевич: “Сегодня в каждом современном доме существуют оптические приемники и передатчики, работающие по оптоволокну. Оптический передатчик сетей кабельного телевидения (КТВ) служит для формирования оптического сигнала, промодулированного электрическим телевизионным сигналом с диапазоном частот группового ТВ-сигнала 47… 862 МГц. В таких передатчиках используют лазеры, в приемниках – фотодиоды. В системе используется оптическое излучение с длиной волны 1100-1600 нм. “

Аналоговые

Аналоговыми эти датчики являются по виду выходного сигнала. Принцип работы может быть как у лазерного, или просто измеряется интенсивность отраженного сигнала.

Аналоговый датчик

В данном случае – аналоговый сигнал, соответствующий расстоянию до поверхности разматываемой катушки, подается на аналоговый вход контроллера (АЦП). И контроллер рассчитывает диаметр катушки.

Оптический датчик, измеряющий расстояние до объекта. Красная точка справа показывает место измерения. Корпус датчика защищен от ударов элементом крепления

Этот же датчик приведен в самом начале статьи. У него также есть и дискретный выход, который можно запрограммировать, и он сработает при определенном расстоянии.

Оптический датчик пламени

Этот датчик стоит особняком – он воспринимает свет от пламени сгораемого газа либо другого топлива. Используется в промышленных котельных, где нужна повышенная безопасность.

Вспомнил. Моя статья про модернизацию котельной, где я установил устройства плавного пуска вместо контакторов.

Вот такая есть модель:

Датчик пламени для котельной с дискретным выходом

Или такой:

Датчик наличия пламени от сгорания газа

Принцип действия – как у радиолампы.

Эй, кто-нибудь ещё помнит, что были аналоговые телевизоры на радиолампах?! Статья про то, как я включил старый ламповый телевизор.

Фотоэлектрических преобразователей

Принцип действия и основные типы

Фотоэлектрическими называются преобразователи, изменяющие свои электрические характеристики под воздействием светового потока, функционально связанного с измеряемой неэлектрической величиной. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на явлении фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А. Г. Столетовым в 1888 году.

Фотоэлектрический эффект осуществляется тремя различными способами, в связи с чем различают три разновидности проявления фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток, поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком.Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е=vh, где v– частота света; h– постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота vгр=Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны lгр=с/vгр, где с– скорость света, vгр– длинноволновой порог фотоэффекта. Если l>lгр, то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)–это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 5.76.

Свет падает на фотокатод К, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется и направляется на ускоряющий электрод – динод Э1. Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э1, направляется на следующие диноды Э2–Э5, усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЭУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления нагрузки. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения. Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10–5 лк).

Чувствительный элемент преобразователейс внутренним фотоэффектом (фоторезисторов)выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала (сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец). Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых длина волны lгр=2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость:

G=Iф/U,

где Iф – фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

K=Rт/R200=105,

где Rт–темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R200–сопротивление при Е=200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна, т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени t. У сернисто – кадмиевых преобразователей t лежит в пределах 1–140 мс, у селенисто – кадмиевых–0,5–20 мс.

Рис. 5.77. Типовая схема включения фоторезистора

Типовая схема включения фоторезистора приведена на рис. 5.77, которая характеризуется высокой чувствительностью. Однако сопротивление фоторезистора зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Рис. 5.78. Конструкция полупроводникового фотодиода

Фотогальванические преобразователипредставляют собой фотоэлектронные приборы с p-n -переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в n –слое 3 (рис. 5.78). Это приводит к усилению их диффузии к р-n-переходу и в самом переходе между слоями 2 и 3. У диода, подключенного через электроды 1 и 4 к запирающему напряжению, под действием света возрастает обратный ток. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.

Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до lгр=2мкм, для кремниевых до lкр= 1,2мкм).

Рис. 5.79. Типовые схемы включения фотодиодов

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 5.79, а). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения Uнна сопротивлении Rн. Напряжение Uни чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 5.79, б). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

Полный ток фотодиода I можно рассматривать как сумму I=Iт+Iф=Iт+SФ,

где Iт –темновойфототок; Iф – фототок, определяемый световым потоком Ф; S – чувствительность.

Значение темнового тока Iтсильно зависит от температуры. Фотодиоды – малоинерционные преобразователи. Их постоянная времени имеет порядок 10-7–10-8 с.

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 5.79, в,и он сам является источником тока. Фототок, напряжение на нагрузке Uн и чувствительность можно определить по ВАХ.

Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая, в основном, определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

3. При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Для уменьшения погрешности измерения фотоэлектрические преобразователи включаются в дифференциальные или компенсационные измерительные цепи.

Оптоэлектронные элементы. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Элементарный оптрон (оптопара) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Принцип действия оптронов основан на следующем (рис. 5.80). В излучателе 1 энергия электрического сигнала преобразуется в световую, фокусируется отражателем 2 на фотоприемнике 3, где световой сигнал вызывает электрический отклик.

Рис. 5.80. Принцип реализации оптрона

Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств. Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Оптроны могут быть реализованы с фоторезистором, фотодиодом и фототиристором.

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

— возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом;

— для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

— возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

— однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции на излучатель;

— широкая, без ограничения со стороны низких частот, частотная полоса пропускания оптрона, возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

— возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

— возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

— невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

— физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

— значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество — свет — электричество) и невысокими КПД этих переходов;

— повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

— более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

-относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный особенностями физики светодиодов;

— сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

— конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Схема включения. Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи Кi, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв и Rразв и проходной емкостью Cразв.

Рис 5.81. Обобщенная структурная схема оптрона

В структурной схеме рис. 5.81 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначение оптической среды – передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае получают оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Выходное устройство призвано усилить сигнал, так как потери после двойного пpeобразования значительны, преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 5.81 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 5.81; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Области применения.В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок.

Другая важнейшая область применения оптронов – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать оптронные датчики влажности и загазованности, датчик наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования.

Неисправности и уход за оптическими датчиками

Так же как и оптика зеркальных фотоаппаратов – нужна чистка, аккуратная протирка и проверка механической целостности.

Я для чистки оптики использую салфетки, смоченные в воде с добавлением ничтожного количества нейтрального моющего средства. Например, для посуды. Потом вытираю сухой салфеткой. Главное – чтобы не попал абразив.

Ещё особенность. В оптических датчиках излучающий элемент – как правило, светодиод. Он имеет свой ресурс работы, и со временем интенсивность его излучения падает. Поэтому неудивительно, что раз в несколько лет приходится настраивать чувствительность датчиков, такова селяви…

Типичные неисправности фотореле

Неудачи в применении фотореле чаще всего вызваны с их неправильным выбором и/или эксплуатацией. Наиболее распространены отказы, превышение ресурса, однако можно перечислить ещё ряд причин:

1. Превышение значения допустимого тока и/или напряжения.
2. Сбои, связанные с длительностью рабочего цикла (особенно, когда реле переключает очень низкие уровни сигнала или, когда реле не срабатывает очень часто, из-за чего контакты окисляются).
3. Загрязнение рабочей поверхности фотодатчиков (особо характерно для фотореле, которые обслуживают промышленное оборудование).
4. Неудовлетворительная вентиляция релейных панелей, что вызывает, перегрев MOSFEТ-транзисторов.

При надлежащем регламентном облуживании все эти проблемы можно предотвратить. Сроки службы реле и его номинальная мощность всегда указываются производителем. Эти параметры определяются для работы фотореле в условиях переключения низкого уровня и соответствуют минимальному количеству операций, которое можно ожидать без механического отказа из-за износа контактов.

Гораздо информативнее, когда разработчик указывает в инструкции по эксплуатации срок службы реле в условиях горячего переключения нагрузки, когда значения тока и напряжения максимальны (при номинальной мощности устройства). В этих случаях реле выходит из строя по факту загрязнения материала контактов, когда для срабатывания приходится увеличивать ток и напряжение: это сопровождается резким возрастанием сопротивления при прохождении управляющего сигнала. Поэтому световоспринимающие поверхности следует очищать возможно чаще, используя для этих целей химически нейтральные очистители.

При интенсивном применении датчик фотореле никогда не работают дольше, чем указано в их технической характеристике. Даже в приложениях с низким уровнем сигнала неисправности в проверяющих устройствах могут вызывать сбои устройства. В результате пусковые токи, вызванные ёмкостными нагрузками, горячим переключением и скачками напряжения ускоряют их старение.

Скачать книгу про датчики

• Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики / Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики. Рассмотрены все виды датчиков — теория и практика, pdf, 13.21 MB, скачан: 2672 раз./ • Энкодер: мастхэв производственной линии / Статья в журнале «Электротехнический рынок» от СамЭлектрик.ру. Разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры, pdf, 1.15 MB, скачан: 888 раз./
Всё в статью не вместилось, есть ещё много фото и интересных историй про оптические датчики, но статья не резиновая)))

Поэтому задавайте вопросы и делитесь опытом и фото в комментариях, буду рад!

А ещё буду рад увеличению количества подписчиков и активности в моей группе ВК! Заходите, там самая оперативная информация, которая иногда даже не появляется на блоге.

Также жду новых читателей и подписчиков на моем канале Яндекс.Дзен. Кстати, вот интересная статья в тему на Дзене – разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры.

Регулировка чувствительности фотоэлектрического датчика

Регулировать чувствительность фотоэлектрических датчиков очень просто. Некоторые датчики состоят из специальной кнопки, называемой «обучение», а другие оснащены потенциометром, который можно поворачивать с помощью отвертки. Типичный фотоэлектрический датчик имеет два светодиода: зеленый для индикации мощности и оранжевый для индикации текущего состояния выхода.

Чтобы отрегулировать чувствительность типа потенциометра, полностью поверните потенциометр против часовой стрелки, когда нет никаких предметов. Затем поместите объект перед датчиком и поверните потенциометр по часовой стрелке, пока не загорится оранжевый светодиод.

Каковы четыре основные части фотоэлектрического датчика?

Фотоэлектрический датчик состоит из четырех основных ступеней:

Источник света

Это секция, которая обрабатывает излучение света. Современные фотоэлектрические датчики основаны на светодиодах (светоизлучающих диодах), которые могут иметь инфракрасный (ИК) или видимый свет, например красный, зеленый или синий цвет. Большинство датчиков используют метод импульсной модуляции для отправки пакета непрерывных импульсов, чтобы уменьшить внешние помехи, вызванные аналогичными источниками света.

Светоприемник

Схема приемника принимает отраженный / испускаемый свет от источника света и преобразует его в электрический сигнал.

Главная цепь

Основная схема выполняет все функции высокого уровня, такие как импульсная модуляция для излучателя и преобразование сигнала для приемника. Он также имеет синхронный детектор и усилительный каскад для обнаружения наличия / отсутствия или изменения принятого сигнала.

Выходная цепь

Схема вывода управляет окончательным выходным сигналом. Доступны все типы выходных цепей, включая выходы NPN / PNP и релейные выходы. Некоторые датчики могут выводить аналоговые сигналы, а некоторые могут даже напрямую управлять значительной нагрузкой, а не только сигналом.

Как работает прибор

Чтобы оценить перспективность использования подобного изделия, необходимо выяснить, каков принцип работы фотореле. Рассмотрим, какой принцип работы имеет светодатчик на примере его установки на улице (в системе наружного освещения). Фотореле для уличного освещения, впрочем, как и для подсветки дома, имеет довольно простой принцип работы:

• при незначительном количестве приходящих на светодатчик световых лучей происходит замыкание контактов, что приводит к включению света на улице. К примеру, таким образом можно зажечь уличный фонарь;
• когда количество попадающих на светодатчик световых лучей увеличивается (наступает день), то фонарь или другая лампа будут выключаться. Это происходит вследствие того, что фотодатчик автоматически размыкает контакты.

Принцип работы фотодатчика

Автоматический контроль уровня освещенности таким прибором возможен благодаря наличию в его конструкции потенциометра. С его помощью светодатчик может точно определить оптимальное время для включения или выключения осветительных приборов (уличного фонаря или других светильников). Помимо этого современные приборы обладают определенной регулировкой, которая позволяет любому человеку самостоятельно настроить диапазон срабатывания фотодатчика. Он оснащен еще и таймером. Таким вмонтированным таймером обеспечивается контроль работы аппарата. Как видим, для дома фотодатчики не очень подходят, так как здесь их следует устанавливать вблизи оконных проемов. Иначе они будут держать свет включенным даже тогда, когда день уже начнется. А это лишние траты. Поэтому такие аппараты самое широкое свое применение находят вне помещений. Фотореле для уличного освещения подходит лучше всего. Так, фотодатчик может использоваться в разных местах:

• им может быть оснащен фонарь или лампа, установленная вблизи входа в дом;
• в качестве элемента системы наружного освещения подъездов многоквартирных домов;
• фонарь или лампа торшерного типа, к которым подключен светодатчик, часто используются для освещения тропинок, дорожек и тротуаров.

Как видим, по некоторым особенностям работы фотодатчик немного напоминает обычный датчик света. При установке его подключают в щит, что находится в доме. Но здесь следует помнить, что в щит прибор следует подключать по специальной схеме. В противном случае он может работать не так, как требуется.

Схема подключения фотодатчика

Если нарушить принцип подключения, то щит вообще может повредиться вследствие короткого замыкания.

Передатчик и приемник

Передатчик часто представляет собой светодиод из-за его более низкого энергопотребления и скорости переключения. Излучаемый свет находится в видимом свете и инфракрасном диапазоне длин волн. Красные светодиоды являются наиболее распространенными среди типов видимого света.

Для приема сигнала используется фотодиод / фототранзистор. Для пульсирующего типа эмиттера этот фототранзистор спектрально связанный

с длиной волны светодиода эмиттера. Это гарантирует, что фототранзистор пропускает больше тока, когда он получает свет, который попадает на длину волны светодиода-излучателя.

Детекторный усилитель и каскад демодулятора

Полученный сигнал усиливается и дополнительно кондиционируется путем фильтрации и сглаживания. Схема приемника также работает синхронно с передатчиком, что снижает вероятность внешних прерываний.

Это помогает датчику отклонять любые нежелательные световые лучи, излучаемые на разных частотах, которые направлены на датчик.

Выходной этап

Выходной каскад принимает кондиционированный сигнал от демодулятора и переключает выход. Это может быть источник или слив для датчика типа PNP / NPN, или просто активация нормально разомкнутого или нормально замкнутого контакта для датчика типа релейного выхода.